KR20220165362A - 튜브 형상을 갖는 촉매 복합체 및 이를 포함하는 연료전지용 촉매 슬러리 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 튜브 형상을 갖는 촉매 복합체 및 이를 포함하는 연료전지용 촉매 슬러리에 관한 것이다.

Description

튜브 형상을 갖는 촉매 복합체 및 이를 포함하는 연료전지용 촉매 슬러리{CATALYST COMPLEX HAVING TUBULAR SHAPE AND CATALYST SLURRY COMPRISING THE SAME}
본 발명은 튜브 형상을 갖는 촉매 복합체 및 이를 포함하는 연료전지용 촉매 슬러리에 관한 것이다.
연료전지용 촉매는 활성을 높이기 위하여 촉매 금속을 다공성의 탄소, 금속 산화물 등의 지지체에 담지하여 사용한다.
일반적으로 상기 촉매를 증류수, 알코올 등의 특정 용매와 이온전달물질을 혼합하여 촉매 슬러리를 제작하고, 이를 도포하여 연료전지용 전극을 제조한다.
다만, 담지된 형태의 촉매는 지지체의 기공 내에 존재하는 촉매 금속이 이온전달물질과 접촉하기 어렵기 때문에 그 사용량 대비 효율이 낮다.
따라서 기존의 촉매는 지지체의 기공 구조, 기공 분포, 촉매 금속의 위치에 따라 그 성능이 크게 좌우되는 한계가 있다.
한국등록특허 제10-1774706호
본 발명은 이온전달물질이 촉매 금속과 전(全) 영역에서 접촉할 수 있는 구조를 갖는 연료전지용 촉매 복합체를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 전극 내에서 기체의 이동을 방해하지 않는 구조를 갖는 연료전지용 촉매 복합체를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 목적은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않는다. 본 발명의 목적은 이하의 설명으로 더욱 분명해질 것이며, 특허청구범위에 기재된 수단 및 그 조합으로 실현될 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지용 촉매 복합체는 튜브의 형상을 갖고 이오노머를 포함하는 내층; 및 상기 내층의 외면에 위치하고 촉매를 포함하는 외층;을 포함할 수 있다.
상기 내층의 내경은 1㎚ 내지 100㎚일 수 있다.
상기 내층의 길이는 20㎚ 내지 200㎚일 수 있다.
상기 이오노머는 폴리설폰계 수지, 폴리에테르케톤계 수지, 폴리에테르계 수지, 폴리에스테르계 수지, 폴리벤즈이미다졸계 수지 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
상기 외층은 상기 내층의 외면의 면적 중 90% 이상을 피복하고 있는 것일 수 있다.
상기 촉매는 백금, 팔라듐, 로듐, 이리듐, 루테늄 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지용 촉매 슬러리는 상기 촉매 복합체, 이온전달물질 및 용매를 포함할 수 있다.
상기 촉매 슬러리는 상기 촉매 복합체 100중량부를 기준으로 이온전달물질 20중량부 내지 80중량부를 포함할 수 있다.
상기 용매는 증류수, 에탄올, 프로판올, 부탄올, 에틸렌글리콜 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
상기 촉매 슬러리는 카본블랙, 탄소나노튜브, 탄소나노섬유 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 어느 하나를 포함하는 탄소재를 더 포함할 수 있다.
상기 촉매 슬러리는 상기 촉매 복합체 100중량부를 기준으로 탄소재 30중량부 내지 200중량부를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지용 전극은 상기 촉매 복합체 및 이온전달물질을 포함할 수 있다.
상기 전극은 상기 촉매 복합체 100중량부를 기준으로 이온전달물질 20중량부 내지 80중량부를 포함할 수 있다.
상기 전극은 두께가 1㎛ 내지 15㎛일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지용 촉매 복합체의 제조방법은 막대(Rod) 형상을 갖고 전이금속을 포함하는 구조체를 제조하는 단계; 상기 구조체의 외면에 이오노머를 포함하는 내층을 형성하는 단계; 상기 내층의 외면에 촉매를 포함하는 외층을 형성하는 단계; 및 결과물을 산(Acid) 처리하여 상기 구조체를 제거하는 단계;를 포함할 수 있다.
상기 전이금속은 니켈, 코발트, 철 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
상기 구조체의 직경은 1㎚ 내지 100㎚이고, 상기 구조체의 길이는 20㎚ 내지 200㎚일 수 있다.
상기 제조방법은 상기 결과물을 황산, 질산, 초산, 개미산 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 어느 하나의 산(Acid)으로 처리하여 상기 구조체를 제거하는 것일 수 있다.
본 발명에 따른 촉매 복합체는 촉매 금속이 다공성의 지지체에 담지되어 있는 것이 아니라 튜브 형상의 이오노머의 외면에 피복되어 있다. 따라서 상기 촉매 복합체를 이온전달물질과 혼합하였을 때, 상기 촉매 금속이 외부와 내부의 전(全) 영역에서 이온 전도성이 있는 물질과 접촉하므로 전극의 이온 전도성이 크게 높아진다.
본 발명에 따른 촉매 복합체는 내부에 빈 공간이 형성되어 있기 때문에 전극 내에서 수소, 산소 등의 기체가 원활하게 이동할 수 있다.
본 발명의 효과는 이상에서 언급한 효과로 한정되지 않는다. 본 발명의 효과는 이하의 설명에서 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 할 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 연료전지용 막-전극 접합체(Membrane-electrode assembly, MEA)를 도시한 단면도이다.
도 2는 상기 촉매 복합체(100)를 도시한 것이다.
도 3은 도 2의 A-A'선의 단면도이다.
도 4a 내지 도 4e는 본 발명에 따른 촉매 복합체의 제조방법을 설명하기 위한 참고도이다.
도 5는 본 발명에 따른 방법으로 제조한 전극의 표면을 광학 현미경(160배 이미지)으로 분석한 결과이다.
이상의 본 발명의 목적들, 다른 목적들, 특징들 및 이점들은 첨부된 도면과 관련된 이하의 바람직한 실시예들을 통해서 쉽게 이해될 것이다. 그러나 본 발명은 여기서 설명되는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 통상의 기술자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.
각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다. 첨부된 도면에 있어서, 구조물들의 치수는 본 발명의 명확성을 위하여 실제보다 확대하여 도시한 것이다. 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다. 또한, 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "상에" 있다고 할 경우, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우뿐만 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 반대로 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "하부에" 있다고 할 경우, 이는 다른 부분 "바로 아래에" 있는 경우뿐만 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다.
달리 명시되지 않는 한, 본 명세서에서 사용된 성분, 반응 조건, 폴리머 조성물 및 배합물의 양을 표현하는 모든 숫자, 값 및/또는 표현은, 이러한 숫자들이 본질적으로 다른 것들 중에서 이러한 값을 얻는 데 발생하는 측정의 다양한 불확실성이 반영된 근사치들이므로, 모든 경우 "약"이라는 용어에 의해 수식되는 것으로 이해되어야 한다. 또한, 본 기재에서 수치범위가 개시되는 경우, 이러한 범위는 연속적이며, 달리 지적되지 않는 한 이러한 범 위의 최소값으로부터 최대값이 포함된 상기 최대값까지의 모든 값을 포함한다. 더 나아가, 이러한 범위가 정수를 지칭하는 경우, 달리 지적되지 않는 한 최소값으로부터 최대값이 포함된 상기 최대값까지를 포함하는 모든 정수가 포함된다.
도 1은 본 발명에 따른 연료전지용 막-전극 접합체(Membrane-electrode assembly, MEA)를 도시한 단면도이다. 이를 참조하면, 상기 막-전극 접합체는 한 쌍의 전극(10) 및 상기 전극(10) 사이에 위치하는 전해질막(20)을 포함할 수 있다.
상기 전극(10)은 촉매 복합체, 이온전달물질 등을 포함할 수 있다.
도 2는 상기 촉매 복합체(100)를 도시한 것이고, 도 3은 도 2의 A-A'선의 단면도이다. 상기 촉매 복합체(100)는 튜브의 형상을 갖고 이오노머를 포함하는 내층(110) 및 상기 내층(110)의 외면에 위치하고 촉매를 포함하는 외층(120)을 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 촉매 복합체(100)는 종래의 백금/탄소 촉매(Pt/C) 등과 달리 다공성의 지지체를 포함하지 않는 것을 특징으로 한다. 구체적으로 상기 촉매 복합체(100)는 상기 촉매를 포함하는 외층(120)이 이오노머를 포함하는 내층(110)에 지지되어 그 형상을 유지한다. 상기 촉매가 외부로는 후술할 이온전달물질과 접촉하고, 내부로는 이온 전도성이 있는 이오노머와 접촉하므로 촉매의 이용이 불가능한 영역이 발생하지 않는다.
한편, 상기 촉매 복합체(100)는 도 2와 같이 선형의 1차원 구조를 갖기 때문에 입자 간 접촉 저항이 낮아져 연료전지의 반응 중 생성된 전자가 원활하게 이동할 수 있다. 또한, 상기 촉매 복합체(100)는 비등방성 형태이므로 전극 제조시 물질 전달이 향상되는 효과가 있다.
상기 내층(110)은 도 2와 같이 속이 빈(V) 튜브 형상을 갖는 것일 수 있다. 상기 내층(110)의 내경은 1㎚ 내지 100㎚일 수 있다. 상기 내층(110)의 내경이 1㎚ 미만이면 반응 기체의 이동이 어려울 수 있고, 100㎚를 초과하면 반응 중 생성되는 물에 의한 플러딩(Flooding) 현상이 발생할 수 있다.
상기 내층(110)의 길이는 20㎚ 내지 200㎚일 수 있다. 상기 내층(110)의 길이가 20㎚ 미만이면 형상의 유지가 어려울 수 있고, 200㎚를 초과하면 이온 전도성이 떨어지는 문제가 있다.
상기 내층(110)을 이루는 이오노머는 수소이온에 대한 전도성이 있다면 어떠한 물질도 사용할 수 있다. 예를 들어, 폴리설폰계 수지, 폴리에테르케톤계 수지, 폴리에테르계 수지, 폴리에스테르계 수지, 폴리벤즈이미다졸계 수지 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
상기 외층(120)은 튜브 형상을 갖는 상기 내층(110)의 외면의 면적 중 90% 이상, 또는 95% 이상, 또는 99% 이상에 피복되어 있을 수 있다.
상기 외층(120)의 피복 두께는 특별히 한정되지 않고, 예를 들어, 1㎚ 내지 50㎚, 또는 1㎚ 내지 20㎚, 또는 1㎚ 내지 10㎚의 두께로 형성될 수 있다. 상기 외층(120)의 피복 두께가 1㎚ 미만이면 상기 외층(120)을 균일하게 형성하기 어렵고, 50㎚를 초과하면 촉매의 사용량 대비 효율이 크게 높아지지 않을 수 있다.
상기 외층(120)을 이루는 촉매는 백금, 팔라듐, 로듐, 이리듐, 루테늄 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다. 백금 합금 촉매는 백금-이리듐, 백금-루테늄, 백금-팔라듐 등을 포함할 수 있다.
도 4a 내지 도 4e는 상기 촉매 복합체(100)의 제조방법을 설명하기 위한 참고도이다.
상기 촉매 복합체(100)의 제조방법은 막대(Rod) 형상을 갖고 전이금속을 포함하는 구조체를 제조하는 단계, 상기 구조체의 외면에 이오노머를 포함하는 내층을 형성하는 단계, 상기 내층의 외면에 촉매를 포함하는 외층을 형성하는 단계 및 결과물을 산(Acid) 처리하여 상기 구조체를 제거하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 구조체는 전이금속의 전구체를 전기 방사하여 제조할 수 있으나, 바람직하게는 도 4a와 같이 일련의 막대 형상을 갖는 템플릿을 이용하여 제조할 수 있다. 구체적으로 상기 템플릿의 기공 내에 전이금속의 나노 입자 또는 전이금속의 나노 입자 전구체를 주입하여 막대 형상의 구조체를 제조할 수 있다.
상기 전이금속은 산(Acid) 처리를 통해 제거할 수 있는 것이라면 어떠한 것도 사용할 수 있으나, 예를 들어 니켈, 코발트, 철 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
또한, 상기 전이금속의 전구체는 상기 전이금속들의 수화물, 질화물 등일 수 있다.
상기 구조체의 직경은 전술한 외층의 내경과 동일하고, 상기 구조체의 길이는 상기 외층의 길이와 동일하거나 길 수 있다. 구체적으로 상기 구조체의 직경은 1㎚ 내지 100㎚이고, 길이는 20㎚ 내지 200㎚일 수 있다.
도 4b와 같이 얻은 구조체의 외면을 이오노머로 코팅하여 도 4c와 같이 내층을 형성할 수 있다. 상기 내층은 스프레이 드라잉, 딥 코팅 등의 방법으로 형성할 수 있다.
예를 들어, 상기 내층을 스프레이 드라잉으로 제조하는 경우 상기 구초제, 이오노머 및 용매를 혼합한 용액을 교반기, 분산기, 초음파 분산 등을 통해 분산시키고 그 결과물을 80℃ 내지 200℃의 온도로 건조할 수 있다.
이후, 상기 내층의 외면에 촉매를 코팅하여 도 4d와 같이 외층을 형성할 수 있다. 상기 외층은 스퍼터, 원자층 증착법 등의 방법으로 형성할 수 있다.
예를 들어, 상기 외층을 스퍼터 방법으로 제조하는 경우 진공 조건에서 30W 내지 150W의 파워로 촉매를 스퍼터링하여 상기 외층의 외면에 증착할 수 있다.
다음으로, 상기 구조체, 내층 및 외층을 포함하는 결과물을 산(Acid)으로 처리하여 상기 구조체만을 선택적으로 제거함으로써 도 4e와 같이 본 발명에 따른 촉매 복합체를 얻을 수 있다.
상기 산(Acid)은 황산, 질산, 초산, 개미산 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
상기 산(Acid)의 농도는 특별히 제한되지 않고, 상기 내층과 외층에는 피해를 끼치지 않고 상기 전이금속을 포함하는 구조체만을 선택적으로 제거할 수 있는 정도로 산(Acid) 용액을 준비할 수 있다.
위와 같이 얻은 촉매 복합체를 사용하여 촉매 슬러리를 준비하고, 상기 촉매 슬러리로 전극을 제조할 수 있다.
상기 촉매 슬러리는 상기 촉매 복합체, 이온전달물질 및 용매를 포함할 수 있다.
상기 이온전달물질은 상기 이오노머와 같거나 다른 것일 수 있고, 폴리설폰계 수지, 폴리에테르케톤계 수지, 폴리에테르계 수지, 폴리에스테르계 수지, 폴리벤즈이미다졸계 수지 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
상기 촉매 슬러리는 상기 촉매 복합체 100중량부를 기준으로 상기 이온전달물질 20중량부 내지 80중량부를 포함할 수 있다. 상기 이온전달물질의 함량이 20중량부 미만이면 전극 내의 수소이온 전도성이 낮아 연료전지의 성능이 저하될 수 있고, 80중량부를 초과하면 연료전지의 운전 중 플러딩(Flooding) 현상을 유발할 수 있따.
상기 용매는 증류수, 에탄올, 프로판올, 부탄올, 에틸렌글리콜 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
상기 촉매 슬러리는 전극의 치수 안정성, 분산성의 향상을 위해 탄소재를 더 포함할 수 있다.
상기 탄소재는 카본블랙, 탄소나노튜브, 탄소나노섬유 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
상기 촉매 슬러리는 상기 촉매 복합체 100중량부를 기준으로 상기 탄소재 30중량부 내지 200중량부를 포함할 수 있다.
상기 촉매 슬러리를 스프레이 코팅, 바 코팅, 슬롯다이 코팅 등의 방법으로 기재 상에 도포하여 전극을 형성할 수 있다.
상기 전극의 두께는 1㎛ 내지 15㎛일 수 있다. 상기 전극의 두께가 1㎛ 미만이면 플러딩(Flooding) 현상을 유발할 수 있고, 15㎛를 초과하면 전극 내 물질 전달의 저항이 높아질 수 있다.
상기 기재는 이형지 또는 전해질막일 수 있다.
상기 촉매 슬러리를 이형지 상에 도포 및 건조하여 전극을 형성한 뒤, 상기 전극을 전해질막 상에 전사하여 막-전극 접합체를 제조할 수 있다.
상기 이형지는 폴리에틸렌나프탈레이트(Polyethylene naphthalate, PEN), 폴리에틸렌테레프탈레이트(Polyethylene terephthalate, PET), 폴리테트라플루오로에틸렌(Poyltetrafluoroethylene, PTFE) 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 어느 하나를 포함하는 필름일 수 있다.
상기 이형지에 촉매 슬러리를 도포한 뒤, 80℃ 내지 200℃의 조건으로 5분 이상 건조하여 전극을 제조할 수 있다.
상기 전극을 전해질막 상에 두고 가열 압착하여 상기 전해질막 상에 전사할 수 있다.
도 5는 위와 같은 방법으로 제조한 전극의 표면을 광학 현미경(160배 이미지)으로 분석한 결과이다.
한편, 상기 촉매 슬러리를 상기 전해질막 상에 직접 도포 및 건조하여 전극을 제조할 수도 있다.
상기 전해질막은 수소이온 전도성이 있는 물질로 이루어진 막일 수 있고, 폴리설폰계 수지, 폴리에테르케톤계 수지, 폴리에테르계 수지, 폴리에스테르계 수지, 폴리벤즈이미다졸계 수지 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
이상, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징으로 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예는 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
10: 전극 20: 전해질막
110: 내층 120: 외층

Claims (20)

  1. 튜브의 형상을 갖고 이오노머를 포함하는 내층; 및
    상기 내층의 외면에 위치하고 촉매를 포함하는 외층;을 포함하는 연료전지용 촉매 복합체.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 내층의 내경은 1㎚ 내지 100㎚인 연료전지용 촉매 복합체.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 내층의 길이는 20㎚ 내지 200㎚인 연료전지용 촉매 복합체.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 이오노머는 폴리설폰계 수지, 폴리에테르케톤계 수지, 폴리에테르계 수지, 폴리에스테르계 수지, 폴리벤즈이미다졸계 수지 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 어느 하나를 포함하는 연료전지용 촉매 복합체.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 외층은 상기 내층의 외면의 면적 중 90% 이상을 피복하고 있는 연료전지용 촉매 복합체.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 촉매는 백금, 팔라듐, 로듐, 이리듐, 루테늄 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 어느 하나를 포함하는 연료전지용 촉매 복합체.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항의 촉매 복합체, 이온전달물질 및 용매를 포함하는 연료전지용 촉매 슬러리.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 촉매 복합체 100중량부를 기준으로 이온전달물질 20중량부 내지 80중량부를 포함하는 연료전지용 촉매 슬러리.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 용매는 증류수, 에탄올, 프로판올, 부탄올, 에틸렌글리콜 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 어느 하나를 포함하는 연료전지용 촉매 슬러리.
  10. 제7항에 있어서,
    카본블랙, 탄소나노튜브, 탄소나노섬유 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 어느 하나를 포함하는 탄소재를 더 포함하는 연료전지용 촉매 슬러리.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 촉매 복합체 100중량부를 기준으로 탄소재 30중량부 내지 200중량부를 포함하는 연료전지용 촉매 슬러리.
  12. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항의 촉매 복합체 및 이온전달물질을 포함하는 연료전지용 전극.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 촉매 복합체 100중량부를 기준으로 이온전달물질 20중량부 내지 80중량부를 포함하는 연료전지용 전극.
  14. 제12항에 있어서,
    두께가 1㎛ 내지 15㎛인 연료전지용 전극.
  15. 막대(Rod) 형상을 갖고 전이금속을 포함하는 구조체를 제조하는 단계;
    상기 구조체의 외면에 이오노머를 포함하는 내층을 형성하는 단계;
    상기 내층의 외면에 촉매를 포함하는 외층을 형성하는 단계; 및
    결과물을 산(Acid) 처리하여 상기 구조체를 제거하는 단계;를 포함하는 연료전지용 촉매 복합체의 제조방법.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 전이금속은 니켈, 코발트, 철 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 어느 하나를 포함하는 연료전지용 촉매 복합체의 제조방법.
  17. 제15항에 있어서,
    상기 구조체의 직경은 1㎚ 내지 100㎚이고,
    상기 구조체의 길이는 20㎚ 내지 200㎚인 연료전지용 촉매 복합체의 제조방법.
  18. 제15항에 있어서,
    상기 이오노머는 폴리설폰계 수지, 폴리에테르케톤계 수지, 폴리에테르계 수지, 폴리에스테르계 수지, 폴리벤즈이미다졸계 수지 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 어느 하나를 포함하는 연료전지용 촉매 복합체의 제조방법.
  19. 제15항에 있어서,
    상기 촉매는 백금, 팔라듐, 로듐, 이리듐, 루테늄 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 어느 하나를 포함하는 연료전지용 촉매 복합체의 제조방법.
  20. 제15항에 있어서,
    상기 결과물을 황산, 질산, 초산, 개미산 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 어느 하나의 산(Acid)으로 처리하여 상기 구조체를 제거하는 것인 연료전지용 촉매 복합체의 제조방법.
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Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101774706B1 (ko) 2016-08-31 2017-09-04 현대자동차주식회사 촉매 담지체의 제조방법, 이에 의해 제조된 촉매 담지체 및 이를 포함하는 연료전지용 촉매

Family Cites Families (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP1316119A4 (en) * 2000-07-24 2009-02-11 Microcell Corp MICROCELL ELECTROCHEMICAL DEVICES AND ASSEMBLIES AND METHOD FOR THE PRODUCTION AND USE THEREOF
KR100612873B1 (ko) * 2004-11-20 2006-08-14 삼성에스디아이 주식회사 금속 촉매와 전극의 제조방법
BRPI0706086B1 (pt) * 2007-09-19 2018-11-06 Comissão Nacional De Energia Nuclear ânodo para célula a combustível baseado em microtubos com paredes porosas nanoestruturadas a base de carbono parcialmente impregnadas de ionômero
KR100968351B1 (ko) * 2007-10-10 2010-07-08 주식회사 엘지화학 연료전지용 전극 및 그 제조방법과 이를 포함하는 막전극접합체 및 연료전지
US9276268B2 (en) * 2009-06-10 2016-03-01 Friedrich Wilhelm Wieland Electrocatalyst, fuel cell cathode and fuel cell
WO2016112976A1 (en) * 2015-01-15 2016-07-21 Abb Technology Ltd Ionomer coated electrode
KR102141882B1 (ko) * 2016-01-27 2020-08-06 코오롱인더스트리 주식회사 혼합 촉매를 포함하는 연료전지 전극 형성용 조성물, 연료전지용 전극 및 이의 제조방법
KR102155929B1 (ko) * 2017-01-26 2020-09-14 주식회사 엘지화학 연료전지 촉매 조성물, 이로 제조된 촉매층 및 이를 포함하는 연료전지

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101774706B1 (ko) 2016-08-31 2017-09-04 현대자동차주식회사 촉매 담지체의 제조방법, 이에 의해 제조된 촉매 담지체 및 이를 포함하는 연료전지용 촉매

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